Informed route selection for experimental design and the potential of free choices for spatial knowledge acquisition

Abstract

Navigationssysteme begleiten uns täglich und viele Menschen nutzen sie sowohl in bekannten als auch in unbekannten Umgebungen. Üblicherweise geben diese Navigationssysteme dem Benutzer die kürzeste Route vor. Obwohl dieser Ansatz in bestimmten Situationen vorteilhaft sein kann, folgt der Benutzer dabei den Anweisungen passiv. Das wiederum schränkt die Interaktion mit der Umgebung und selbstständige Entscheidungen ein. Des Weiteren gibt es Literatur, die darauf hindeutet, dass die Nutzung von Navigationssystemen unsere räumliche Wahrnehmung und Orientierung negativ beeinflussen kann. Als häufiger Grund dafür wird geteilte Aufmerksamkeit genannt, da der Nutzer sich abwechselnd auf das Navigationssystem und die Umgebung konzentrieren muss. In den letzten Jahren wurden mehrere Navigationsansätze vorgeschlagen, um diese Auswirkungen abzuschwächen und den Erwerb von räumlichem Wissen (auf Englisch spatial knowledge acquisition) zu unterstützen. Diese Ansätze versuchen, den Benutzer aktiv in den Entscheidungsprozess einzubinden. Allerdings geben diese Systeme immer noch eine vordefinierte Route vor und fordern weiterhin eine geteilte Aufmerksamkeit. Dabei werden die räumlichen Fähigkeiten des Benutzers meistens nicht berücksichtigt. Dies steht im Gegensatz zu dieser Arbeit, in der die Berücksichtigung von räumlichen Benutzerfähigkeiten eine personalisierte Unterstützung erlaubt. In dieser Arbeit werden zwei neue Navigationskonzepte vorgestellt, die die oben genannten Probleme berücksichtigen, indem sie dem Benutzer eine aktive Rolle im Entscheidungsprozess zuschreiben. Das erste Konzept heißt Free Choice Navigation (FCN) und ist ein nicht visueller Navigationsansatz, der einen Kompromiss zwischen freier Erkundung der Umgebung, der Anzahl an Navigationsanweisungen und einer maximalen Routenlänge eingeht. Anhand von geschätzten Wahrscheinlichkeiten und den räumlichen Fähigkeiten des Benutzers versucht dieser Navigationsansatz zu bestimmen, ob der Benutzer an der nächsten Kreuzung Unterstützung benötigt. Der zweite vorgestellte Navigationsansatz heißt Beeline Augmented Reality (BeeAR) und zeigt das Ziel permanent mittels einer Augmented-Reality-Datenbrille an. Dadurch kompensiert er den potenziellen Fehler, der bei dem FCN-Ansatz durch die Schätzung der Benutzerorientierung entstehen kann. In beiden Ansätzen soll die erhaltene Informationsmenge reduziert werden und der Nutzer aktiv am Entscheidungsprozess teilnehmen. Daher wird erwartet, dass diese Ansätze den Erwerb von räumlichem Wissen unterstützen. In einer empirischen Nutzerstudie wurden diese zwei neuen Konzepte evaluiert. Dabei diente der weitverbreitete Turn-by-Turn-Navigationsansatz als Vergleichsgrundlage. Eine der wichtigsten Entscheidungen bei der Planung von solchen Experimenten ist die Auswahl der Route(n) innerhalb eines Testgebiets. Diese müssen experimentspezifische Kriterien erfüllen. Nach jetzigem Stand gibt es kaum systematische Informationen über den möglichen Einfluss von Routen auf Studienergebnisse. Daher wird in einer agentenbasierten Simulationsstudie der mögliche Einfluss der Routenauswahl auf die Studienergebnisse untersucht. Außerdem wird untersucht, ob sich die Stichprobengröße auf diesen potenziellen Einfluss auswirkt.Der zweite Beitrag dieser Arbeit zur Bedeutung der Routenauswahl in Navigationsexperimenten ist die Entwicklung eines Frameworks für systematische und reproduzierbare Routenauswahl in Navigationsexperimenten. In Anbetracht der Vielzahl möglicher Routen und ihrer potenziellen Auswirkungen auf die Studienergebnisse sollte dieses Framework die ökologische Validität erhöhen, da die ausgewählten Routen die experimentspezifischen Kriterien am besten erfüllen. Das wiederum ermöglicht eine größtmögliche Verallgemeinerung der Ergebnisse. Neben der Auswahl von Routen aus einer potenziellen Routengrundgesamtheit ermöglicht das Framework die Suche von ähnlichen Routen in verschiedenen geografischen Gebieten. Diese Art der Unterstützung erleichtert die Studienreplikation in anderen Ländern. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Ermittlung von Routen vorgeschlagen, die wahrscheinlich zu Ergebnissen führen, die mit den meisten Routen im Testgebiet übereinstimmen.

Navigation assistance systems have become widespread, and many people use them daily in familiar or unfamiliar areas. These navigation systems require the user to follow a predefined route, usually the shortest one. Although this approach can be beneficial in certain situations, this circumstance reduces the user to a passive follower, limiting at the same time the interaction with the environment and active decisions. Furthermore, the literature suggests that the usage of navigation assistance systems may adversely affect spatial cognition and orientation, often explained by the forced attention shifts between the supporting navigation system and the environment. Several approaches focusing on enhancing spatial knowledge acquisition have been proposed over the years to mitigate these effects. These approaches try to engage the user in the decision-making process actively. However, they still force users to divide attention or follow a predefined route. In contrast to this work, they do not incorporate the user's environmental spatial abilities allowing for personalized assistance.The work presents two novel concepts tackling these problems by increasing the user's active participation in the decision-making process. The first concept, Free Choice Navigation (FCN), is a non-visual navigation approach focusing on a compromise between free exploration, the number of issued instructions, and a maximum allowed walking distance. Based on estimated probabilities and environmental spatial abilities, this approach also tries to determine whether the user needs assistance at the next junction. The second introduced navigation approach, Beeline Augmented Reality (BeeAR), is permanently displaying the destination through augmented reality data glasses, compensating for the potential errors in users' orientation estimation of the FCN approach. Both approaches focus on decreasing the amount of information provided to the user and involve the user in the decision-making process. Therefore, these approaches are expected to support spatial knowledge acquisition. Both novel concepts were evaluated through an in situ empirical user study using the state-of-the-art turn-by-turn approach as a baseline. One of the most crucial experimental design decisions for such evaluations is selecting the route(s) within an experimental area that must satisfy experiment-specific criteria. As of today, there is little systematic information about the potential influence of routes on study results. Therefore, an agent-based simulation study demonstrates the potential influence of route selection on study results. Furthermore, it will be scrutinized if the sample size impacts this potential influence.The second contribution of this work regarding the importance of route selection in navigation experiments is the development of a route selection framework for wayfinding experiments allowing for systematic and reproducible route selection. Given the abundance of possible routes and their potential impact on study results, this framework should increase ecological validity as the selected routes best satisfy the experiment-specific criteria, which in turn allows for generalizing the findings as much as possible. Besides selecting routes from a potential route population, the framework enables finding similar routes in different geographic areas, which facilitates study replication in other countries. Moreover, a procedure for finding routes leading likely to results in line with most routes in the experimental area is proposed.